压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究.pdf

第1 3 卷 第1 期 中国水利水 电科学研究 院学报 V o 1 1 3 N o 1 兰 r n o f C h i n a I n s ti t u t e 。 f w a te r R e s 。 u r e e s a n d H y d r 。 p 。 w e r R e s e a r c h F e b lu a y ， 2 0 1 5 文章编号 ： 1 6 7 2 3 0 3 1 ( 2 0 1 5 ) 0 l 一 0 0 1 4 0 6 压 力 隧 洞新 型预 应 力 混凝 土衬 砌 技 术 模 拟 试 验 研 究 黄 昊 2刘致彬 2岳跃真 ， 2 7 郝巨 涛 ( 1 流域水循环模拟与调控国家重点实验 室，北 京1 0 0 0 3 8 ； 2 中国水利水 电科学研究院 北京中水科海利工程技术有 限公 司，北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 ：在现有压力隧洞预应力混凝土衬砌技术的基础上，提 出了基于 圆环形扁千斤顶技术 的新 型预应力混凝土衬 砌隧洞新概念。实现这个设想 的关键设备是圆环形扁千斤顶 ，是一个用薄钢板制成的中空圆形压 力囊 ，利用液压 通 过有限的径向位移对隧洞混凝土衬砌层外部 施加均布压应力 。室 内模拟试验证明 ，采用薄钢板制作 的圆环形扁 千斤顶可以通过灌浆或注水对衬砌结构施加预应力 ，衬砌结构环 向预压应力与注水压力呈线性关 系，与理论结果 一 致 。 关键词 ：压力隧洞；预应力混凝土衬砌 ；模拟试验 ；扁 千斤顶 中 图分 类 号 ：T V3 3 2 文献 标 识 码 ：A d o i ：1 0 1 3 2 4 4 j c n k i j i W h r 2 01 5 0 1 0 0 3 1 研究背景 随 着压 力 隧 洞 所 承受 的水 头 和 直径 的不 断 增加 ，环 向拉应 力 越 来 越 大 ，理 论 和 实践 都 已证 明 ， 配置大量普通钢筋不能防止裂缝的发生 ，仅能限制裂缝的扩展。传统的预应力混凝土衬砌技术主要 包括预应力锚索技术和高压灌浆式预应力技术，这种衬砌结构可 以使衬砌厚度减薄 ，节省材料和开 挖 量 ，弥补 混凝 土 抗拉 强 度 和延 展性 低 等 缺点 ，且可 充 分利 用 混凝 土 抗压 强 度高 的特点 ，减 少衬 砌 结 构裂 缝发 生 ，但均 存在 局 限性 。 锚 索 式预 应 力混 凝 土衬 砌 结构 是 通 过张 拉 混凝 土 衬砌 内的环 向锚 索使 衬砌 产 生 预压 应 力 。现 有 的预应力混凝 土衬砌隧洞 ，一般是沿着衬砌层 的环向采用预应力钢材施加预应力 。根据所使用的预 应力筋 的不同 ，可分为有黏结和无黏结两种形式。这两种形式的技术均不能充分利用围岩的约束作 用 ，通过预应力钢材施加预应力 ，工程 中不但耗费大量的预应力钢材 ，同时由于在锚索张拉过程 中 出现摩 擦 力作用 ，导致 预应力 不均 匀 。 同时 ，耐 久性 和预 应力 保持受 到 钢绞线 的 耐腐蚀 性制 约 。 2 0世 纪 2 0年 代 ，G 布拉 文 首 先 提 出 了在衬 砌 与 围岩 之 间预 留一 条专 门的缝 隙 用灌 浆 来形 成预应 力 。此后 各 国纷纷 采用 ，如 澳 大利亚 、南非 、前 苏联 、德 国和法 国等 ，各 工程 内水 压力 水头 1 0 07 0 0 m，围 岩 I 类 ，灌 浆 压力 2 1 0 MP a 。灌 浆式 预 应力 混凝 土 衬砌 通 过 压力 灌浆 的方式 使 混 凝 土衬 砌 产 生预 压 应力 ，预应 力 是 由衬 砌 和 围岩之 间的 压力 产 生 的 。该 技 术 可 以充 分利 用 围岩 的约束 作用 ，节 省 大量 预应 力钢 材 ，同时通过 灌 浆作 用 可 以加 固围岩 等 。 中国在 1 9 7 6年开 始进 行灌 浆 式预 应 力衬 砌 的 试验 研究 工 作 ， 目前 灌 浆 式预 应力 衬 砌技 术 也 已经 列入 规 范。但 由于 混凝 土 预 压应 力 持续 效 果 不 明确 ，预 应 力灌 浆 残余 应 力不 易 控制 ，同 时对 衬砌 厚 度 、预 留的灌 浆 间 隙厚 度 要 求严 等方 面的影 响 ，该 技术 的应用 受到 限制 ，影 响 了其大规 模 推广应 用 。 近 年来 ，在 对 现有 预应 力 混凝 土 衬 砌隧 洞 工程 进 行 总结 和研 究 的基 础 上 ，提 出了新 型 预应 力 混 凝 土衬 砌 隧 洞 的新 概 念 ，该技 术 的关 键 是 在 围岩 和混 凝 土衬 砌 结构 之 间设 置 由薄 钢 板制 成 的 圆环 形 扁千斤顶 ，利用灌浆或充水过程中圆环形扁千斤径 向位移对? 昆凝土衬砌层施加均匀外部压力作用 ， 从而在 混凝 土衬 砌结 构 内部产 生预 压应 力 。 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 3 2 8 基金项 目：中国水利水 电科学研究院科研专项( 结集 1 3 6 6 ) 作者简介 ：黄吴( 1 9 8 2 一 ) ，男 ，河南新野 人，博士生 ，工程师 ，主要从事水工结构材料研 究。E - m a i l ：h u a n g h i w h r c o i n 一 1 4 压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究 黄 吴刘志彬 岳跃真 郝巨涛 新 型压 力 隧 洞预 应 力混 凝 土技 术 具有 传 统灌 浆 式 预应 力 的技 术 优点 ，如 可 以使衬 砌 厚 度减 薄 ， 节省材料和开挖量 ，显著降低工程造价和施工难度 ，加快施工进度 ，弥补混凝土抗拉强度和延展 性 低 的缺 点 ，充 分 利用 混 凝 土抗 压 强 度 高 的优 点 。同 时 ， 由于存 在 圆环 形 扁 千 斤 顶 ，可 以 保 证 围 岩 与 衬 砌 混 凝 土 之 间 有 封 闭 空腔 ，其 施 工 灌 浆 压 力 和 灌 浆 残余 压 力 可 以保 证 ，能 有 效 地 提 高 预 加 应 力 效 果 ，是 一 种 很 有 发展 前 途 的衬 砌 形 式 ，在 我 国的 水 电 工程 和 城市 输 水 工 程 中具 有 广 泛 的 应 用 前 景 。 3 室 内模拟试 验 由于新 型预 应力 混 凝 土衬 砌 压力 隧 洞技 术 是一 种 创新 技 术 ，需 要 进行 试 验验 证 圆 环形 扁 千斤 顶 的设计 、制 作 、安装 以及灌 浆 工艺控 制 和施加 外 预应力 性能 等方 面 内容 。 通 常 压力 隧洞所 承 受 的 内水 压力 和 直径 都 很 大 ，不 可能 按 相 似模 拟设 计 ，只能 取 一部 分 预应 力 混 凝 土衬 砌 隧洞 开 展 模 拟 试 验 。室 内模 拟 试 验采 用 厚 钢 板 模 拟 围岩 ，将 一 定 宽度 两段 标 准 圆弧 段 圆 环形 扁千 斤 顶 固定 在 围 岩 ( 钢 板 ) 内部 的 中 间位 置 ，圆 环形 扁 千 斤 顶 分 别设 有 注 水管 、压 力 表 和 排 气 管 等 ，通 过 对 圆环 形 扁 千 斤 顶 压水 或 压浆 对 内部 衬 砌 混 凝 土 施 加 预 应 力 ，同 时量 测 衬 砌 混 凝 土 内 壁 的变 形 量 ，检 查 衬 砌 结 构 的 预加 应 力 效 果 。本 文 试 验 中 ，围岩 内径 2 4 m，轴 向长 度 0 8 m， 钢 板厚 底 1 6 m m；衬 砌结 构 外 径 2 4 m，内 径 2 0 1 1 1 ，轴 向长 度 0 8 m，c 4 0 混 凝 土 。有 关 本 文试 验 的 具 体 参 数见 表 1 、图 3和 图 4 。 表 1 两次室内模拟试验参数 图3 1 试验模拟( 单位 ：c m) 4 试验结 果分析 图4 2 试 验模 拟 立而图 4 1 1 模 拟 试验 结 果 ( 1 ) 预应力 响应 。试验时逐 渐加大注水 压力 ，并记 录下环 向压 缩变形值 。首先控 制注水压 力 1 MP a ，反复 多次加压 和卸 压 ，试验 结果表 明重复性很好 。然 后将 控制 注 水压 力 继续 加 大 ， 当压 力 超过 1 2 MP a 后 ，发 现沿 衬砌 混 凝 土 圆环 中 间位置 出现一 条连 续 的环 向裂缝 ， 肉眼清 晰可 见 ， 当压 力 大于 1 5 MP a 后 ，发现 圆环形 扁 千斤顶 和衬 砌混 凝 土之 间渗水 ，遂 终止试 验 。 图 5 为环 向预压 应力 与 注水 压力 P关 系 曲线 。从 图 5中可 以看 出 ，在 注水 压 力小 于 1 0 MP a 前 一 1 6 压力 隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究 黄吴刘志彬岳跃真郝巨涛 6 8 倍 ，与试 验 结果 环 向预 压 应力 为 注水 压力 的 7 1 倍 相 接近 ，相差 不 到 5，模 拟 试验 能 反 映实 际 工作条 件 ，可 以线性 施加 预加应 力 。 4 3室 内模 拟 围岩 变 形与 同 尺寸 围岩 弹 性变 形 比较试 验 中采用 厚 钢板 模 拟 围岩 约束 ，所 采用 钢板 厚 度 为 1 6 mm，内径 为 2 4 0 c m，尽 管 该模 拟 与真 实 围岩 之 间有 较 大 的差 异 ，但 由 于该模 拟 围岩在 圆 环 形 扁 千斤 顶加 压 过程 中会 发生 环 向 和径 向变 形 ，与 实 际 围岩具 有 一 定相 似性 ，可 以在 一 定程 度 上 反映 围 岩 的变形 。根 据材 料 力学 薄壁 圆筒应 力 应 变计 算公 式 ，模 拟 围岩在 灌浆 压 力 作用 下 的环 向应 力 和 变形计 算公 式如 下 ： 兀 D = ( 3) 式 中 ： 为 模 拟 围 岩 的 环 向 应 力 ；t t 为 模 拟 围 岩 的 环 向 变 形 ；P为 灌 浆 压 力 ( 取 最 大 灌 浆 压 力 1 8 MP a ) ；E为 钢材 弹性模 量 ( 取 2 0 0 G P a ) ；D为模 拟 围岩 内径 ( 取 2 4 m) ；6为模 拟 围岩厚 度 (1 6 mm) ； 根 据 式 ( 3 ) ， 试 验 条 件 下 ( 1 8 MP a 灌 浆 压 力 作 用 下 ) 模 拟 围 岩 的 环 向 拉 应 力 最 大 达 到 1 3 5 MP a ，模 拟 围 岩 的环 向变 形 5 1 mm。 对于施工期灌浆条件下 ，假定 围岩变形是弹性力学 中无限大板孔 内受力变形的模拟。对于 围岩 初 始地 应 力 为 q 、围 岩 内摩 擦 角 围 岩黏 结强 度 c 的 条件 下 ，当圆环 形扁 千 斤顶 内施 加 灌浆 压 力 P 低于屈服强度时( p q ( 1 + s i n 6 ) 十 c c o s b ) ， 围岩处于弹性阶段 ， 根据弹性力学因灌浆压力产生的围 岩 径 向变形 可 以 由无 限大 板孔 内受 力计算 ，此 时 隧洞 围岩环 向变 形为 ： 兀 其中： 、E 分别为围岩 的泊松 比和弹性模量 ；P 为灌浆压力 ；r 为隧洞开挖半径( 圆环形扁千斤顶 外径 ) 。 假 定 在 围岩 处 于 弹性 阶段 条 件 下 ，对 于 同样 结构 尺 寸 和灌 浆压 力 作 用 的 围岩变 形 ，依 据 规 范选 取不同围岩材料参数 按照式( 4 ) 进行类 比计算 ，计算结果详见表 2 。 表 2 相同尺寸和灌浆压力条件下不同围岩在弹性 阶段环向变形 表 2中可 以看 出 ，从 模 拟 围岩 变形 的角度 来 看 ，本 次试 验 所 采用 的钢板 模 拟 围岩 变形 基 本 上 与 同尺寸 、同灌 浆 压力 条 件下 的类 围岩变 形 接 近 ，也说 明模拟 试 验 在 围岩 变形 计算 方 面 可 以模 拟 弹 性状 态 类 围岩约 束变 形条 件 。 5 结论 ( 1 ) 基于圆环形扁千斤顶技术的压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术可以控制灌浆量 和灌浆压 力 ，在 理论 上 能达 到 预应 力 衬砌 效 果 ，并 可 以省 去 预应 力 钢材 ，简化 了施 工 工 艺 ，且 不存 在 预 应力 钢材 的锈 蚀 问题 ，更加 安全 可靠 。 ( 2 ) 模 拟试 验 中 ，在工 厂 内用 1 mi l l 厚 的 薄钢 板加 工 、制 作 成标 准 圆弧 段 ，检 验合 格 后运 至 丁地 现 场安 装 在 围岩 和衬 砌 混凝 土 之 间 ，各标 准 圆弧段 之 间则 以丝扣 钢 管连 接 成封 闭 的 圆环 状 ，待 衬砌 压力隧洞新型预应力混凝土衬砌技术模拟试验研究黄吴刘志彬岳跃真郝巨涛 混 凝 土 达 到设 计 强 度后 ，再 通过 高 压 泵 向 圆环形 扁 千 斤顶 内注入 压 力水 ( 浆 液 ) 对 衬 砌混 凝 土施 加 外 预 应 力 的方法 是可 行 的 ，其 环 向预 压应力 与 注水 压力 呈正 比例关 系 ，可 以达到 预应 力效 果 。 ( 3 ) 模 拟 试验 中 ，由于 圆环 形 扁千 斤顶 布 置不 当 ，可 能会 导致 衬砌 结 构 出现环 向裂 缝 ，因此 在 实 际工 程设 计 时应通 过结 构设 计 等措 施避 免该 现象 发生 。 ( 4 ) 模拟 试 验 中 的围岩 变形 量 与 同结 构尺 寸 和灌 浆压 力条 件 的 类 围岩 弹性 阶段 变形 接近 ，说 明 基于 圆环 形扁 千 斤顶技 术 的新 型压 力 隧洞 预应力 技术 具有 较好 的适 应性 。 参 考 文 献 ： 任海波 无粘结环锚预应力混凝 土衬砌结构优化设计研究 D 天津 ： 天津大学 ， 2 0 0 5 李东平 ， 祝瑁 预应力装 配式 混凝土衬砌 的技术原理及其 在水 工隧洞工程 中的应 用 J 中国新 技术新产 品 ，2 0 0 9 ( 1 4) ：5 3 邵力群 ，肖豫 ， 罗 国强 南 阳回龙工程高压 隧洞预应力灌浆 技术 J 黄河水 利职业技术学 院学 报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 ( 2 ) ：9 1 1 赵长海 灌浆式预应力混凝 土衬砌 隧洞 J 水利水 电技术 ，1 9 9 9 ( 1 2 ) ： 6 5 6 9 卢兆康 高压灌浆 的数学模拟 、 灌浆试验及成果分析与应 用 J 人民珠江 ，1 9 9 4 ( 1 ) ：3 9 4 3 谷玲 ， 宋 宏伟 预应力灌浆在高压隧洞中的应用 J 东北水 利水 电， 2 0 0 6 ， 2 6 3 ： 1 i 一 1 3 S L 2 7 9 2 0 0 2 ， 水 工隧洞设计规范 s 蔡晓鸿 ， 蔡勇平 水工压力隧洞结构应力计算 M 北京 ：中国水利水电出版社 ， 2 0 0 4 G B 5 0 2 1 8 - 9 4 ， 工程岩 体分类标 准t s 3 Si m ul a t i o n e x pe r i m e nt o f a n e w t e c hn o l o g y o f pr e -s t r e s s e d c o nc r e t e l i n i ng i n p r e s s ur e t un ne l HUANG Ha o 一，L I U Z h i b i n 一，YUE Yu e z h e n 。 一，HAO J u t a o ( 1 S t a t e K e yL a b o r a t o r y 0 厂 S i mu l a t i o n a n dR e g u l a t i o n o fWa t e r C y c l ei nR i v e r B a s i n ，B e ij i n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a 2 C h i n a I n s t i t u t e o fWa t e r R e s o u r c e s a n dHy d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e n g 1 0 0 0 3 8 ，C h i n a ) Abs t r ac t ： Ba s e d o n t h e e x i s t i ng t e c hn o l o gy o f p r e -s t r e s s e d c o nc r e t e p r e s s u r e t u nn e l l i ni ng， a D e w t e c h no l o g y o f p r e - s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i n g t e c h n o l o g y w i t h r i n g f l a t j a c k i s p u t f o r w a r d T h e k e y e q u i p me n t t o i mp l e me n t t h i s i d e a i s a r i n g s h a p e fi a t j a c k，wh i c h i s ma d e o f t h i n s t e e l a s h o l l o w c i r c u l a r p r e s s u r e b a g ，a n d wh i c h c a n i mp o s e u ni f o r m c o mpr e s s i v e s t r e s s o f t un ne l c o n c r e t e l i n i n g l a y e r t h r o ug h r a di a l di s p l a c e me n t F r o m t h e s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ， i t i s p r o v e d t h a t c i r c u l a r fi a t j a c k ma d e b y t h i n s t e e l p l a t e c a n a p p l y p r e - s t r e s s o n t h e l i n i n g s t r u c t u r e t h r o u g h g r o u t i n g o r i n j e c t i o n，a n d t h e c i r c u mf e r e n t i a l p r e c o mp r e s s i 0 n s t r e s s o f t h e l i n i n g s t r u c t u r e i s l i n e a r wi t h t h e i n j e c t i o n p r e s s u r e ，wh i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a l r e s u i t s Ke y wo r d s ：p r e s s u r e t u n n e l ；p r e s t r e s s e d c o n c r e t e l i n i n g ；s i mu l a t i o n e x p e r i me n t ；fi a t j a c k ( 责任编辑 ：王冰伟 ) 一 1 9 1 i 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 rr；r